Найден новый микроб перерабатывающий отходы в энергию: что такое синтрофия и как она производит энергию?

Глядя на большой город, мы видим высокие здания, улицы, машины — это его самые заметные элементы. Но его жизнь обеспечивают тысячи незаметных процессов: работа канализации, поставки электричества, вывоз мусора. Сообщество микробов имеет схожее строение. В любой системе, будь то грунт или биореактор, есть многочисленные виды, которые легко заметить. Но есть и другие, малочисленные, но важные организмы.

Такие организмы составляют малую часть сообщества. Но без них вся система может перестать работать. Изучение таких редких, но нужных микробов всегда было трудной задачей. Их метаболическая активность была почти незаметна на фоне информационного шума от более многочисленных организмов.

Новая научная работа предлагает способ выявить эти скрытые организмы. Ученые применили метод, который находит редкие бактерии и показывает, что именно они делают. Полученные данные оказались очень интересными.

Почему сложно изучать малочисленные организмы?

В бескислородных условиях, например, в реакторах для получения биогаза, существует тип взаимодействия, который называют синтрофией. Это значит, что один микроб использует продукты жизнедеятельности другого. Такое взаимодействие помогает сообществу расщеплять вещества, которые один вид одолеть не может.

Важные участники этого процесса — синтрофные ацетат-окисляющие бактерии (SAOB). Они выполняют основную работу: расщепляют ацетат, из которого получается метан. Более 60% биометана создается из ацетата. Но этот процесс дает бактериям SAOB очень мало энергии. Поэтому они медленно растут и их всегда мало. Они незаметны.

Стандартные методы анализа, например, секвенирование ДНК, показывают общую картину. Они показывают, какие микробы есть в образце, но не говорят, какие активны, а попытки отследить метаболизм часто не удаются, потому что слабый сигнал от редких видов просто не видно.

Как заставить скрытый микроб стать видимым?

Для решения этой задачи ученые скомбинировали несколько технологий. В основе их подхода лежат два главных метода.

1. Зондирование стабильными изотопами (SIP). Идея простая: пометить пищу. Ученые дали микробному сообществу ацетат, где атомы углерода-¹² заменили на более тяжелый изотоп — углерод-¹³. Затем они смотрели, в каких организмах появился этот тяжелый углерод. Это прямой способ узнать, кто именно ест ацетат. Но для редких видов сигнал все равно оставался слабым.
2. Метки на основе искусственных аминокислот (BONCAT). Это основной элемент нового подхода. BONCAT показывает, какие клетки производят новые белки, то есть работают в данный момент. Микробам дают специальную аминокислоту, которую они встраивают в свои белки. У этой аминокислоты есть химический «крючок». К этому крючку позже можно прикрепить светящуюся метку. В результате светятся только метаболически активные клетки.

Совмещение этих двух методов и дало нужный результат. Ученые дали микробам и меченую еду, и строительный блок с крючком. Это позволило им найти и отделить те клетки, которые были активны в потреблении ацетата.

Бактерия из биореактора

Опыт проводили с образцами из промышленного биореактора. Применив новую технологию, команда ученых смогла выделить самых активных потребителей ацетата. Это оказалась редкая, ранее неизученная бактерия из семейства Natronincolaceae. В общем анализе ДНК ее было меньше 0.5%, но в группе активных клеток она преобладала.

Ученые назвали этот микроб Syntrophacetatiphaga salishiae. Они смогли определить этого скрытого участника процесса.

Теперь, когда у ученых были белки именно этого организма, они смогли подробно изучить его метаболизм.

Объяснение работы микроба

Анализ белков показал, что S. salishiae окисляет ацетат при помощи окислительного глицинового пути. Это биохимический процесс, который у SAOB ранее только предполагали, но не доказывали. Бактерия превращает ацетат в формиат.

Здесь снова проявляется синтрофия. Сам по себе процесс окисления ацетата невыгоден, если формиат будет накапливаться. Но рядом с S. salishiae живет партнер — архея Methanoculleus. Эта архея сразу же потребляет формиат и делает из него метан. Поддерживая количество формиата очень низким, она делает работу бактерии возможной.

Это хороший пример микробного взаимодействия, где партнерство помогает получать энергию из очень бедных источников.

Какое значение имеет эта работа?

Эта научная работа важна не только открытием одной бактерии. Она показывает новый способ изучать микробные сообщества. Теперь у ученых есть метод, который находит самых активных участников, даже если их очень мало.

Такой подход можно применять для анализа почвы, океана или микробов в организме человека. Он поможет точно определять, какие микробы отвечают за распад загрязнителей или вызывают болезни, даже если эти микробы малочисленны.

Источник: biorxiv